眼睑闭合对人类外侧膝状体神经元放电活动的影响及其在视觉信息门控中的新机制

《Nature Communications》：Effects of eye closure on the spiking activity of human lateral geniculate neurons

　　本研究首次在清醒人类患者中记录了外侧膝状体（LGN）神经元的单细胞放电活动，通过深部脑刺激电极植入的独特机会，揭示了人类LGN细胞具有与灵长类动物相似的颜色拮抗（红-绿 opponency）和空间频率调谐特性，并发现自愿性单眼闭合可显著改变LGN自发放电活动——宽波形神经元活动降低而窄波形神经元（可能为中间神经元）活动增强，这为理解单眼闭合时视觉信息门控机制提供了新见解。

　　

在视觉科学领域，人类大脑如何处理视觉信息始终是一个核心谜题。作为连接视网膜和初级视觉皮层（V1）的关键中继站，外侧膝状体（LGN）在视觉信息加工中扮演着至关重要的角色。然而，由于技术限制和伦理考量，我们对人类LGN神经元功能特性的认知几乎完全来源于猫、猕猴等动物模型的研究。虽然功能性磁共振成像（fMRI）研究提供了人类LGN整体活动的宏观视角，但单神经元水平的特性，如感受野组织、颜色编码和双眼交互等基本问题，在人类中仍然未知。更令人困惑的是，人类能够自愿闭合单眼而仅经历微小的视觉感知变化，这种形式的增益控制涉及单眼和双眼处理阶段的表现竞争，但其神经机制尚不清楚。

近日发表在《Nature Communications》上的研究填补了这一空白。研究人员利用两名癫痫患者在接受LGN深部脑刺激（DBS）治疗时的独特机会，首次在清醒人类中记录了LGN神经元的放电活动。这一创新方法使得直接比较人类LGN神经元与其它物种的响应特性成为可能，并能够探索单眼闭合对LGN活动的调节机制。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过立体定向手术将高阻抗微电极（0.8-0.9 MΩ）植入患者LGN进行单细胞和多位点记录；使用漂移光条和差异高斯（DoG）模型进行感受野映射；通过漂移光栅评估空间和时间频率调谐；采用反转棋盘格测试颜色偏好（黑-白、红-绿、黄-蓝）；并通过指令性单眼闭合研究自发放电和单眼反应变化。两名患者（一名60岁女性，一名45岁男性）均因枕叶癫痫接受治疗，术前术后视野检查显示视力正常。

感受野映射在患者2中的结果

在患者2中，除了闪烁光源，研究人员还在校准的LCD显示器上呈现视觉刺激。从MRI定义的解剖靶点尾侧+0.5mm至+6.5mm可观察到放电活动。在三个电极深度（+4.0mm、+4.5mm和+5.5mm）呈现了多种视觉刺激。当受试者注视固定点时，使用漂移光条映射感受野，并用差异高斯（DoG）模型进行建模。例如，7号单元具有一个偏心度为13.9度视觉角（d.v.a）的ON中心感受野，中心亚单元大小为0.57 d.v.a，视觉响应延迟为44毫秒。总共获得四个单元的高质量感受野拟合（r²大于0.5）。

人类LGN中的红绿拮抗细胞

通过呈现不同颜色对比度（黑-白、红-绿、黄-蓝）的反转棋盘格刺激，研究发现10号和11号单元表现出红绿拮抗特性。11号单元当感受野内的方格为红色时兴奋、为绿色时抑制，10号单元则具有相反的颜色偏好。这表明人类LGN中存在红绿拮抗细胞，它们很可能位于LGN的小细胞层，这与猴类中的发现一致。一些电极位点的多位点记录对黑白棋盘格的两个相位产生相反反应（如6a号单元）。大多数细胞对黄/蓝棋盘格反应微弱，未观察到对该刺激两个相位有不同反应的单元，这与灵长类LGN中蓝-ON/OFF神经元比例较小（主要位于尘细胞层）的发现一致。

LGN对单眼刺激的反应及眼闭合效应

通过指令患者闭合单眼，研究检查了LGN对单眼呈现黑白棋盘格的反应。细胞间对双眼的选择性不同：例如12号单元仅对同侧（左）眼刺激反应，而10号单元则由对侧眼驱动。大多数单元主要由单眼刺激驱动（|OCIX| > 0.5），但一些多位点记录位点也对非优势眼有反应。研究还计算了双眼性指数（BINOIX），大多数细胞的BINOIX值接近零，仅12号单元显示显著双眼抑制，6a号单元显示显著双眼促进。

令人惊讶的是，自愿性单眼闭合对许多LGN细胞的自发放电活动产生强烈影响。例如，偏好同侧眼的12号单元，闭合优势眼使自发放电率从58Hz降至45Hz，而闭合非优势眼使活动增至100Hz。相反，一些单元（如10号和13号单元）在优势眼闭合时自发放电增加。这两个单元具有最窄的波形（峰-谷时间<250μs），而在皮层中，窄波形属于中间神经元。尽管样本量小，但这一发现表明，当偏好眼闭合时，具有最窄波形的两个细胞自发放电活动增加最强。

讨论与意义

本研究首次在清醒人类参与者中记录了LGN神经元活动，证实了猴类LGN神经元的若干感受野调谐特性可推广至人类。特别是，人类LGN神经元可通过差异高斯模型良好描述，且LGN小细胞层存在红绿拮抗细胞。尽管记录神经元样本有限，但研究成功验证了人类LGN具有与灵长类相似的基本功能组织。

关于双眼交互，人类LGN主要是单眼结构，所有单单元和部分多单元主要由单眼驱动。但观察到两个多单元存在非优势眼刺激对双眼反应的影响，其中12号单元的双眼抑制约50%。灵长类LGN中双眼抑制不如猫常见，这些抑制影响可能由LGN内中间神经元、丘脑网状核或初级视觉皮层的投射介导。

最显著的发现是自愿性单眼闭合对人类LGN自发放电水平的强烈影响。一些细胞在偏好眼闭合时活动降低，非偏好眼闭合时活动增加。而具有最窄波形的细胞（可能为中间神经元）在偏好眼闭合时自发放电增加。这表明存在一种眼间增益控制机制，其中局部中间神经元抑制通常由闭合眼驱动的细胞活动。自愿性单眼闭合引起的LGN自发放电率大幅变化十分显著，因为尽管视觉系统输入减半，但视觉感知几乎无变化。

这项研究为理解人类早期视觉通路提供了宝贵资料，为未来使用类似技术研究人类大脑视觉通路开辟了新方向。研究结果不仅证实了动物模型中发现的基本特性在人类中的保守性，还揭示了人类特有的眼闭合调节机制，为理解视觉信息门控和增益控制提供了新视角。